《河馬食堂》水為何能夠反覆被使用?

《河馬食堂》水為何能夠反覆被使用?


◎河馬教授(台大生物環境系統工程學系教授張文亮)

如果你看看周圍的水,你會發現水總是在動。高山的溪水,流到平原匯流成河,河水又流到海洋,海水蒸發後,會冷凝成雨水或是雪下降,這些水一部份蒸發回到大氣中,一部份滲入土壤成為地下水,一部份流在地面上成為溪水。如此去而覆返,日復一日,川流不息。生物的存活,所需要的水,祗佔地球總水量的0.005%,一個非常小的比例,其它99.995%的水都是用來循環,使生物源源不斷的獲得新鮮的、乾淨的水可以使用。其實水的壽命已經很久了,打從地球有生物以前,地球上面就已經有這麼多水了,水沒有增加,也沒有減少。

這是一件多麼稀奇的事,水是地球上最古老的一種「化石」,我們今天上午起床所喝的一杯水,其內所含的水分子,在幾千萬年前,就已經是水分子了。為什麼魚肉放久了會臭掉、樹木會有倒下死亡腐爛的一天、高山的石頭會由巨岩風化成泥土的時候,但是時間似乎沒有在水的上面留下任何的記號,水依然是水,我們杯子裡的水依然清淡新鮮,水常保新鮮的秘訣是什麼呢?

這個有趣問題的答案在「水是不斷的在循環運動」著。

海水為什麼需要那麼多
地球百分之七十一的表面是覆蓋在水下,水的體積約有1,403,377,000km3(或1.403×1021l),這是一個很大的量。如果地球上的人口以60億來計算,每人平均每日用掉100升的水,需要641,000年才能把地球上的水用完。但是問題的關鍵是,地球上水的分佈比率:海水佔97.59%,人類無法直接大量使用海水,可見地球擁有這麼多水,並非讓人「使用」,而是讓人珍惜、欣賞、瞭解與有智慧的管理。

由於水的比重是1,海水的水量約有1.37×1021升,相當於1.37×1024克的重量,這樣大的數據代表什麼?讓我們仔細的來計算一下吧。

太陽輻射到地球外太空的熱量是一個定值,為1.94 cal/cm2.min,因為地球「有晚上,有白天」,以12個小時為計,太陽輻射到地球外太空的熱量為1396.8cal/cm2.day。假設這個能量經過大氣層的吸收與反射,祗有60%的熱量到地球表面,地球的表面積有5.1×1018cm2,所以射到地球表面的能量有4.274×1021cal,好大的能量對不對?但是要改變水的溫度1℃,所需要的熱量是1 cal,所以這些熱量要提高整個海域的溫度,才祗有0.003℃而已,由這個計算可以看出海水可以吸收由太陽來的熱量,並且本身的溫度祗增加一點點而已。相對的,海水夜間所吸的熱量,會散佈到大氣裡,水溫也祗降低一點點。因此這麼多的海水,才能讓地球表面的溫度,無論日夜,變化不大的主因。

兩極冰山的目的
海水佔了地球水量的97.59%,而且是鹽水,不能直接飲用,但也不能視為地球上「無用的水資源」,海水保持地球的溫度,對所有生命存活的貢獻極大。海水佔了97.59%,其它的2.41%是淡水,淡水的比例雖不多,但是其分佈所在有很大的差異性。

淡水的總量有0.033×1021l,有77.89%的淡水是在地球的南北極,以一大片、一大片的凍原存在,光是格陵蘭(Greenland)的冰原,就比台灣大150倍以上,人在那裡終年四顧,除了冰以外還是冰。真不明白這片白色的世界,起初怎麼會取名為「綠色大地」(Greenland)的?滑稽!

地球兩極的冰佔了77.89%的淡水,難怪在中東富有的沙漠國家想到北極挖鑿一大塊冰,用輪船拖載回來當水飲用,但是問題是沿途都幾乎溶光了。如果兩極的冰都溶化成水,海洋的水平面約上漲100公尺,那世界上人口最密集的平原地區,就全在海水的淹沒之下了。

兩極的冰佔了這樣大的淡水比例,沒有被人類用到,並不是一件可惜的「水資源浪費」。人類不應該以為,自己沒有用到的水,就是沒有用的水。兩極的冰對於海水溫度有很好的平衡,進而使地球不會過熱或過冷。除此之外,兩極的冰山還有一個極為重要的功能,就是海洋的對流。

由於兩極的冰深入海底,使得南北極的深海溫度約為—2℃(海水在此溫度才會結冰),因著比重的關係,這低溫的海水在深處,向較熱的低緯度流動,促使低緯度接近海面的高溫海水向兩極流動,當淺海水的水溫與深海水的水溫趨於一致時,深處的海水,會向淺處的海面,往上移動;反之,海面的海水則下降到深處。這種對流,使得深海的二氧化碳可以到水面上,換上比較多含氧氣的新鮮海水,這使得深海的魚類有一個較理想的生存環境。所以不要輕看冰山好像漫無目的的漂在海上,其實妙處不少。

地下水的隱藏
除了南北極的冰山之外,地球上淡水有20.97%是在地下層流動。這代表有98.86%(=20.97%+77.89%)的淡水,人類無法直接取用。人類要獲得地下水的惟一方式就是「水井」,古今中外皆是如此。根據中國的傳說,黃帝是第一個知道鑿井取水的人,雖然現在沒有任何一處的水井,能証明是黃帝挖的。在埃及,中東古文明也都有使用水井的記載,但是這些古井的遺跡現在不可考,可見水井不是能夠長期保存的水利結構物。所以在人類的歷史上,人不斷的挖井,為的是取地下水使用,尤其是在缺雨水的地方,地下水成為人惟一可以取得水源、保存生命的水資源。

淡水有10.74%的比例存在地下,是一個巧妙的設計,地面上的池塘、湖泊,甚至溪流,在日曬下會慢慢的蒸發而枯乾,但是地下水卻很少會蒸發,主要的差別在太陽無法直接曬到地下水。地下水的另一個好處是流的很慢,一些河川一天可以流好幾公里,例如「朝辭白帝彩雲間,千里江陵一日還,兩岸猿聲啼不住,輕舟已過萬重山。」但是地下水的流速一天幾公分之遠,一年才幾公尺之距。地下水不會像地面河川,一下子很快的流到大海,無形中成為主要的淡水資源。

人類要用井才能採到地下水,但是許多植物的根,能伸及地下水吸到水。以致在長期不下雨的乾旱地區,仍然可以看到有些植物欣欣向榮,這些植物祗要有地下水供應根系吸水,就不用怕地表太陽曬的多厲害。中國人很早以前就有這種見識了。

例如明朝的吳承恩在「西遊記」第五十九回有一段令人莞爾的記載,那是唐三藏一行來到炎熱的火焰山,那裡非常炎熱,結果竟然還種作物,並且當地人還磨成糕點賣,這是怎麼一回事?炙熱的地方怎能生長作物呢?當然孫悟空就去向鐵扇公主借「芭蕉扇」來熄火,並記「一扇息火,二扇生風,三扇下雨,我們就種」,尚說「不冷不熱,五穀不結」,這是在枯乾炎熱之地,除了偶然風雨之外,更需要冷讓雨水有下降之時,要熱方能使地下水毛管上升,讓植物吸到水。看來火焰山附近的居民,就是在這天氣一冷一熱的間歇變化中耕種。

河水為什麼這麼少
除了兩極的冰與蘊藏在地底下的地下水以外,祗有1.14%的淡水是在地面上,這些水有0.68%是在湖泊裡面,這些湖泊存的淡水,如貝加爾湖、青海等都是在內陸,或是森林群繞之地,或是高山之頂,一般人還不容易取得到。另有0.45%的淡水是在土壤,大部份是與一部份的空氣,存在土壤的孔隙中,這些水也不容易直接被人取得。一般人所以為的淡水來源—河川,其淡水祗佔地球淡水的0.0005%,或佔地球水量的0.000012%,這相當於如果假如地球上有1,000,000滴的水,其中祇有1滴是在河裡。

這是一個非常值得思考的問題,水對生命是這麼有用,但是祗有0.000012%,這麼低的比例,是在人容易直接取而使用的河水,其他的水,不是在人不能直接飲用的海水,就是在無法使用的南北極,或是在地下水流著,或是存在高山的某一處湖泊中,但就是差異這麼大的分配比率,水才能不斷的循環再使用。一個東西要能夠不斷的循環再用,必須具備有二個條件,就是每次祗能用少少的一部份,與讓其不斷的流動。水就是這樣了,一種絕佳的流動設計,使其不斷的循環再供生命使用。

本文經原作者同意轉載,本文轉載自河馬教授的網站

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